Как сделать невесомость на земле
Обновлено: 06.07.2024
Итак, решено. Мы летим в космос! Но там нас поджидает коварная невесомость, поэтому узнаем о ней по больше, ведь знания — сила!
Просмотрев фильм и литературу про космос в интернете, я узнал, что невесомость в космосе возникает не из-за силы притяжения Земли, а из-за того, что космический корабль, двигаясь по орбите, как будто постоянно летит вниз.
Невесомость в космосе.
Я хочу вам предложить простой опыт.
Что чувствуют космонавты в космосе: «Закрыть глаза и дотронуться пальцем до кончика носа. Сложно? А каково космонавтам?
Мы испытываем невесомость на борту корабля, качаясь на волнах.
Вывод: Если что-нибудь уплыло из рук прямо в космос – пиши пропало! Что сила земного притяжения в космосе не работает!
Невесомость на Земле
Heвecoмocть- вeщь, кoтopую нeлeгкo пoчувcтвoвaть нa Зeмлe.
В тот момент, когда камень падал, он был в невесомости.
Мы провели с папой опыт с весами
Я стал на напольные пружинные весы. Мой вес – кг. Затем я резко присел, стрелка приблизилась к нулю, показав, что я стал невесомым.
Я на собственных опытах убедился в том, что на Земле можно испытать состояние невесомости, причем, не только в специально созданных условиях, но и в домашних.
Невесомость в воде.
Во время занятий в бассейне мне предложили поймать под водой мелкий предмет.
Вода в невесомости
В космосе невозможно заплакать. Слезы не только не польются ручьем, они даже не покинут глаз. Шарики из слез останутся внутри и будут не только затруднять зрение, но и ухудшать его, вызывая жжение.
Чтобы достать воду, бутылку необходимо либо встряхивать, либо раскрутить так, чтобы жидкость прижалась к ее стенкам, либо использовать шприц.
В бутылке проделали отверстие и налили воду. Я поднял бутылку вверх, вода лилась струйкой из отверстия. Я бросил бутылку с небольшой высоты. Пока бутылка падала, струйка не текла. Вода при падении бутылки стала невесомой.
Воспитатель предложила опыты с жидкостью и невесомостью и попробовала придать жидкости форму шара. Если это удастся, значит, для жидкости можно создать на Земле состояние невесомости.
В прозрачный стакан с небольшим количеством воды она добавила такое же количество спирта. Шприцем ввела растительное масло. Масло расположилось в середине сосуда красивым желтым шаром. Значит, для масла созданы условия невесомости
Естественная форма всякой жидкости – шар. В космосе вода принимает именно такую форму. А на Земле сила тяжести мешает жидкости образовывать шар, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него.
Как невесомость воздействует на человека
При длительном (несколько недель и более) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определённые изменения, носящие негативный характер
Спасибо за внимание!
Секреты удачного родительского собрания Секреты удачного родительского собрания. Секреты удачного родительского собрания: Настройтесь на общение на равных. Придумайте правила.
С гравитацией связан важный урок принципа эквивалентности: равномерно ускоряющаяся система отсчёта неотличима от гравитационного поля. Если вы находитесь в ракете и не можете выглянуть наружу, у вас не будет способа понять, что происходит: вас придавливает „вниз“ сила гравитации или равномерное ускорение ракеты в одном направлении? Эта идея привела к формулированию общей теории относительности, и, спустя более чем сто лет, это самое правильное из известных нам описание гравитации и ускорения.
Идентичное поведение мяча, падающего на пол, в ускоряющейся ракете и на Земле демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна
Есть ещё один трюк, который мы могли бы использовать: заставить корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (разгонной силы ракеты) можно получить центробежное, в котором человек на борту будет чувствовать, как его притягивает корпус корабля. Этим знаменит фильм „2001: космическая одиссея“, и эта сила при достаточно большом корабле была бы неотличима от гравитации.
Но это и всё. Три типа ускорения – гравитационное, линейное и вращательное – единственные в нашем распоряжении силы, оказывающие гравитационное воздействие. И для находящихся на борту космического корабля это большая, большая проблема.
Концепция космической станции 1969 года, которую предполагалось собирать на орбите из использованных ступеней программы „Аполло“. Станция должна была вращаться вокруг центральной оси и порождать искусственную гравитацию.
Почему? Потому, что для путешествия в иную звёздную систему придётся ускорять корабль по пути туда, а по прибытию – замедлять. Если вы не сможете защититься от этих ускорений, вас ждёт фиаско. К примеру, чтобы разогнаться до „импульсной скорости“ „Звёздного пути“, до нескольких процентов от скорости света, пришлось бы выдержать ускорение в 4000 g в течение часа. Это в 100 раз больше ускорения, которое предотвратит ток крови в вашем теле – весьма неприятная ситуация, как ни крути.
Запуск шатла Колумбия в 1992 году показывает, что ускорение ракеты происходит не мгновенно, а длится достаточно долгое время, много минут. У космического корабля ускорение должно было быть гораздо большим, чем может выдержать человеческое тело
Более того, если вы не хотите быть невесомым во время долгого пути, и подвергаться ужасным биологическим эффектам вроде потери костной массы и космической слепоты, необходимо, чтобы на ваше тело действовала постоянная сила. Для других сил, кроме гравитации, это не было бы проблемой. К примеру, для электромагнитного воздействия можно было бы поместить команду в проводящую оболочку и это устраняло бы все внешние электромагнитные поля. А потом внутри можно было бы устроить две параллельные пластины и организовать постоянное электрическое поле, заставлявшее бы заряды двигаться в определённом направлении.
Эх, если бы гравитация работала так же.
Схематическая диаграмма конденсатора, две параллельные проводящие пластины которого имеют одинаковые по величине и разные по знаку заряды, что создаёт между ними электрическое поле
Никаких „гравитационных проводников“ не существует, и от гравитации нельзя защититься. Невозможно создать равномерное гравитационное поле между какими-нибудь пластинами в определённом участке пространства. Причина в том, что в отличие от электричества, создаваемого положительными и отрицательными зарядами, гравитационный „заряд“ бывает одного типа, масса-энергия. Сила гравитации всегда притягивает, и с этим ничего нельзя поделать. Придётся делать всё возможное с тремя доступными типами ускорения – гравитационным, линейным и вращательным.
Подавляющее большинство кварков и лептонов Вселенной состоят из материи, но для каждого из них существуют и частицы антиматерии, гравитационные массы которых не определены
Единственным способом создать искусственную гравитацию, способную защитить вас от эффектов ускорения корабля и придать вам постоянное притяжение „вниз“ без ускорения, было бы открыть новый тип отрицательной гравитационной массы. У всех открытых нами частиц и античастиц масса положительна, но это инерциальные массы, то есть, массы, имеющие отношение к ускорению или созданию частиц (то есть, это m из уравнений F = ma и E = mc 2 ). Мы показали, что инерциальная и гравитационная массы для всех известных частиц совпадают, но пока не проводили достаточно тщательных проверок для антиматерии и античастиц.
Коллаборация ALPHA ближе других экспериментов подошла к измерению поведения нейтральной антиматерии в гравитационном поле
И в этой области эксперименты идут прямо сейчас! В эксперименте ALPHA на ЦЕРН получили антиводород — стабильную форму нейтральной антиматерии — и сейчас работают над изоляцией её от всех других частиц на низких скоростях. Если он окажется достаточно чувствительным, мы сможем измерить, в какую сторону антиматерия будет двигаться в гравитационном поле. Если она будет падать вниз, как и обычная, тогда её гравитационная масса больше нуля, и её нельзя использовать для создания гравитационного проводника. Но если она будет падать вверх, это изменит всё. Единственный экспериментальный результат внезапно сделает искусственную гравитацию физически возможной.
Возможность получить искусственную гравитацию соблазнительна, но она требует существования отрицательной гравитационной массы. Такой массой может стать антиматерия, но это пока неизвестно.
Если у антиматерии будет отрицательная гравитационная масса, тогда сделав потолок комнаты из антиматерии, а пол из материи, мы сможем создать искусственное гравитационное поле, постоянно притягивающее вас „вниз“. Построив оболочку корабля из гравитационного проводника, мы защитим всех внутри него от сил сверхвысокого ускорения, которое иначе было бы смертельным. И, что самое прекрасное, люди в космосе больше не будут страдать от отрицательных физиологических эффектов, от нарушения вестибулярного аппарата до атрофии сердечной мышцы, досаждающих современным космонавтам. Но пока мы не откроем частицу (или набор частиц) с отрицательной гравитационной массой, искусственную гравитацию можно будет получить только через ускорение.
Для того чтобы побывать в невесомости, вовсе не обязательно летать в космос. Космонавты привыкают к этому крайне необычному для человеческого организма состоянию заранее – на борту специально оборудованной летающей лаборатории.
Летающая лаборатория Ил-76МДК специально доработана для совершения полетов по так называемой параболе Кеплера. При этом в верхней части траектории самолет и его пассажиры и экипаж находятся в состоянии невесомости.
Первые шаги
Размеры российского Ил-76МДК позволяют без проблем разместить внутри достаточно крупные макеты модулей космической станции.
Здесь рождается невесомость
Полеты по параболической траектории довольно рискованны, поскольку самолет подвергается большим нагрузкам. В случае какой-либо нештатной ситуации он немедленно переходит в горизонтальный полет и все участники полета покидают борт с парашютами. Хотя кресел с ремнями безопасности в лабораторном отсеке нет, при взлете и посадке можно использовать откидные сиденья и поручни. 1. Рабочие места инженеров-испытателей. 2. Мягкие маты. 3. Сетка. 4. Вращающееся кресло. 5. Лабораторный отсек.
Европейское космическое агентство, которое с 1988 по 1995 год использовало самолеты Caravelle французского космического агентства CNES, с 1997 года применяет для своих экспериментов доработанный Airbus A-300 Zero-G, принадлежащий французской компании Novespace и базирующийся в международном аэропорту Бордо-Мериньяк. В сентябре 2006 года именно на этом самолете была выполнена первая в мире хирургическая операция на человеке (добровольцу удалили доброкачественную опухоль) в условиях невесомости. Американское агентство NASA до 2003 года использовало в качестве летающей лаборатории самолет Boeing KC-135A, а с 2003 года перешло на C-9, военную версию самолета McDonnell-Douglas DC-9. Однако в последнее время NASA стремится перейти на аутсорсинг и арендует летающую лабораторию G-Force One на базе модифицированного Boeing 727-200 у частной американской компании Zero-G. Компания, основанная известным предпринимателем Питером Диамандисом, астронавтом Байроном Лихтенбергом и инженером NASA Рэем Кронисом, занимается как научными, так и развлекательными полетами, включающими режим невесомости. На фото - McDonnel-Douglas C-98 (NASA).
Полет по параболе
А в это время в салоне.
Согласно определению в Большой Советской Энциклопедии, невесомость – состояние материального тела, при котором действующие на него внешние силы или совершаемое им движение не вызывают взаимных давлений частиц друг на друга. Если тело покоится в поле тяжести Земли на горизонтальной плоскости, то на него действуют сила тяжести и направленная в противоположную сторону реакция плоскости, в результате чего возникают взаимные давления частиц тела друг на друга. Человеческий организм воспринимает такие давления как ощущение весомости. В лифте, движущемся по вертикали вниз с ускорением, равным ускорению свободного падения, тело (все его частицы) и лифт не оказывают никаких взаимных давлений друг на друга, и наблюдается состояние невесомости. Обратите внимание, что при этом на все частицы тела, находящегося в состоянии невесомости, силы тяжести действуют, но нет внешних сил, приложенных к поверхности тела (например, реакций опоры), которые могли бы вызвать взаимные давления частиц друг на друга. Подобное же явление наблюдается для тел, помещенных в искусственном спутнике Земли (или космическом корабле); эти тела и все их частицы, получив вместе со спутником соответствующую начальную скорость, движутся под действием сил тяготения вдоль своих орбит с равными ускорениями, как свободные, не оказывая взаимных давлений друг на друга, т. е. находятся в состоянии невесомости. Как и на тело в лифте, на них действует сила тяготения, но нет внешних сил, приложенных к поверхностям тел, которые могли бы вызвать взаимные давления тел или их частиц друг на друга.
Любое тело, размеры которого малы по сравнению с земным радиусом, совершающее свободное поступательное движение в поле тяготения Земли (и любых других небесных тел), будет, при отсутствии других внешних сил, находиться в состоянии невесомости.
Невесомость — что это простыми словами
Для того чтобы понять, что такое невесомость, нужно сначала познакомиться с понятием веса.
Вес — это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Очень часто понятие вес путают с массой. Вес обозначается P — давление, оказываемое телом на подвес или опору. F — сила упругости, оказываемая подвесом на предмет. Они равны по модулю, но противоположны по направлению.
Невесомость возникает в том случае, если тело не давит на опору или подвес. Еще Готфрид Лейбниц отметил изменение веса шарика в свободном падении в жидкости. В 1892 — 1893 г.г. профессором МГУ Любимовым Н. А. было поставлено несколько опытов, доказывающих возникновение невесомости в состоянии свободного падения. В своих экспериментах Любимов использовал маятник. Маятник, выведенный из положения равновесия при свободном падении, не качался.
Определение состояния невесомости, физические особенности
Простыми словами, состояние невесомости — отсутствие давления на предмет и его части, т.е. гравитационные силы в этом случае уравновешиваются.
Есть два вида невесомости.
Потеря веса, которая возникает на большом расстоянии от небесных тел из-за ослабления притяжения, называется статической невесомостью. А состояние, в котором находится человек во время полета по орбите, — динамической невесомостью.
Физическая формула веса (P) при ускоренном движении опоры имеет следующий вид:
P = m ( g - a ) ,
m — масса тела,
g — ускорение свободного падения,
a — ускорение опоры.
При равенстве g и a, P=0, достигается невесомость.
Динамическая невесомость возникает и на Земле. Невесомы пловцы-ныряльщики, летящие в воду с вышки. Лыжники во время прыжка с трамплина невесомы в течение нескольких секунд. Невесомы падающие камнем вниз парашютисты, пока они не раскрыли парашюты. При тренировках космонавтов на тридцать – сорок секунд создают невесомость в самолете.
Как проявляется, влияние на человека
Мы не замечаем собственного веса и привыкли к тому, что все предметы имеют вес. За миллионы лет развития все живущие на Земле организмы приспособились к тому, чтобы выдержать свой вес, люди не исключение. Для жизни в условиях земного притяжения у нас есть кости, связки и мышцы.
Естественно, что состояние невесомости существенно отличается от привычного нам. Организм человека в такой среде реагирует на невесомость как на раздражитель. Центральная нервная система страдает в первую очередь. Отсутствие привычной тяжести для человеческого тела — большой стресс.
В невесомости человеческий рост может увеличиться на 2 – 5 см из-за низкой гравитации. Это может вызвать мышечные и суставные боли. Но после возращения в привычные условия, рост вернется.
Сильный дискомфорт причиняет изменение давления жидкости в организме. Кровь приливает к голове и груди. Стоять и ходить в состоянии невесомости не получится, поэтому мышцы спины и ног начинают терять силу и уменьшаться в размерах. Невесомость действует и на кости человека. Каждый месяц, проведенный в состоянии невесомости, кости истончаются на 1%.
После возвращения на Землю космонавты должны снова привыкать к земным условиям. Даже за несколько дней в космосе, человеческое тело отвыкает от собственного веса. Многие космонавты не способны устойчиво держаться на ногах и ходить после пребывания в невесомости. Чтобы последствия не были тяжелыми, космонавты, помимо обычных силовых тренировок, проводят электростимуляцию мышц. Не исключается применение и фармакологических средств.
Можно ли создать условия невесомости на Земле
Чтобы привыкнуть к ощущению невесомости в космосе, космонавты тренируется в специальных самолетах-лабораториях:
Он взлетает и начинает просто падать, чтобы ускорение самолета было равно ускорению свободного падения. В этот момент, в формуле веса из g вычитается равное ему значение ускорения a и получается 0:
P = m ( g - a ) = m ( 9 , 8 - 9 , 8 ) = 0
Читайте также: